خورشید سر چشمه عظیم و بی کران انرژی است که حیات زمین بدان بستگی دارد و همه دیگر انواع انرژی نیز به گونه ای از آن نشات گرفته اند؛ انرژی موجود در زمین یا از تشعشعات کنونی خورشید (مثلا در مورد نیروی آب و باد) و یا از تشعشعات آن در گذشته( مثلا در مورد زغال سنگ، نفت و گاز) سرچشمه می گیرد.
خورشید با پرتوافشانی همیشگی خود زندگی را در کره زمین امکان پذیر ساخته است.
این انرژی نتیجه فرایند پیوسته همجوش هسته ای در خورشید است. در هر ثانیه 2.4 میلیون تن از جرم خورشید با حرارتی معادل 10 تا 14 میلیون درجه سانتیگراد به انرژی تبدیل شده و با حرارتی نزدیک به 5600 درجه به صورت امواج الکترومغناطیسی با فرکانس زیاد در فضا منتشر می شود. تشعشعات الکترومغناطیسی که به صورت اشعه واگرا از خورشید ساطع می گردند با سرعت 300,000 کیلومتر بر ثانیه در فضا منتشر می شوند. زمین که در فاصله 150 میلیون کیلومتری خورشید قرار دارد، تنها در حدود 2 میلیاردم انرژی منتشر شده از خورشید را می گیرد.
انرژی خورشیدی بزرگترین منبع انرژی پاک کره زمین است و مزیت بزرگ آن در دسترس بودن آن در بیشتر نقاط است.
طبق برآوردها ظرفیت بالقوه بهره برداری از انرژی خورشیدی به طور متوسط در سال 10,000TW (1010MW) می باشد.
با در نظر گرفتن کلیه عوامل، از جمله قابلیت اطمینان و دوام تجهیزات، وجود کارکنان متخصص، نگهداری تاسیسات، امکان ساختن تمام یا بعضی قطعات در کشور مصرف کننده و … استفاده از انرژی خورشیدی بر سایر روش های تولید انرژی های تجدیدپذیر برتری آشکار دارد.
هم اکنون شش شیوه تولید برق از نور خورشید، شناخته شده است که عبارتند از : آیینه سهمی گون، دریافت کننده مرکزی، آیینه های شلجمی (بشقابی، استرلینگ)، دودکش خورشیدی، استخر خورشیدی و سلولهای نوری (فوتوولتائی یا فوتو ولتاییک).
تولید برق توسط سیکلهای ترکیبی-پیوندی (استفاده از سوخت فسیلی و انرژی خورشیدی) نیز مراحل مطالعات امکان سنجی را پشت سر می گذارد. تقریبا 80 درصد از الکتریسیته خورشیدی توسط نیروگاه حرارتی-خورشیدی و 20 درصد بقیه به وسیله نیروگاه برق نوری (فتوولتائیک) تولید می شود.
توليد الكتريسته از چند وات تا به اندازه یک نیروگاه بزرگ، توسط فن آوریهای برق خورشیدی امکان پذیر است. پیشرفت فن آوری های برق خورشیدی در نتیجه فعالیت های تحقیقاتی، امکان رقابت برق خورشیدی را با سایر روشهای تولید برق پدید آورده است. تولید و مصرف برق خورشیدی نقش قابل توجهی در کاهش انتشار دی اکسید کربن ایفا خواهد کرد.
روشهای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی
با استفاده از تکنولوژی های خاص، انرژی حاصل از نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. این تکنولوژی ها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
- سیستم های گرمایی خورشیدی که از نور متمرکز شده خورشید، برای گرم کردن مایعی که بخار آن، یک توربین را به حرکت در می آورد، استفاده می کند.
- سیستم فتو ولتائیک (Photo Voltaic): به پدیده ای که در اثر آن و بدون استفاده از مکانیزم های مکانیکی، انرژی تابشی به انرژی الکتریکی تبدیل شود پدیده فتوولتائی می گویند. در واقع این پدیده از فرضیه ذره ای بودن انرژی تابشی بنا نهاده شده است. هر سیستمی هم که از این خاصیت استفاده کند را سیستم فتوولتائیک گویند. سیستم فتوولتائیک انرژی موجود در نور خورشید را توسط سلول های خورشیدی مستقیما به برق از نوع DC (جریان مستقیم) تبدیل می کند. با استفاده از برق حاصله و بهره جویی از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی موجود، می توان انرژی الکتریکی کلیه بارهای DC و AC (جریان متناوب) را تامین کرد.
دو روش استفاده از سیستم های فتو ولتائیک عبارتند از:
سیستم های متصل به شبکه سراسری برق و سیستم های مستقل از شبکه، که بدون نیاز به وجود شبکه سراسری برق قادر به تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کننده می باشد.
تجهیزات سیستم های فتوولتاییک به جز در مورد انواع مجهز به سیستم ردیابی خورشید، معمولا تجهیزاتی جامد و ایستا هستند.
مزایای انرژی خورشیدی
- خورشید یک منبع همیشگی است و همواره دوست انسان و محیط زیست
- انعطاف‌پذیری در استفاده از آن؛ منبع تولید برق، حرارت و نور
- بدون سر و صدا هستند و می‌توانند تمام وقت کار کنند.
- امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای؛ استفاده از نیروگاه های خورشیدی به منظور منابع تولید پراکنده، می تواند نقش به سزایی در کاهش هزینه ها و تلفات در سیستم توزیع، ایفا کند.
- استهلاک کم و هزینه های نگهداری پایین
معایب انرژی خورشیدی
- کاهش کارایی آن ها در طول روزهای بارانی، زمستان و زمانی که نور خورشید به طورکلی کم می‌تابد. اگرچه دستگاه‌های فتوولتاییک، امروزه بسیار کارآمدتر از قبل هستند با این حال هنوز راه بسیاری برای بهبود بیشتر در پیش دارند.
- در طول روز با چرخش زمین، خورشید از شرق طلوع کرده و در غرب غروب می‌کند، این یعنی تابش در تمام طول روز یکسان و در یک جهت نیست که البته امروزه برای این عیب دستگاه‌های چرخشی خورشیدی که با تغییر جهت آفتاب نیز تغییر جهت می‌دهند، طراحی شده است.
سهم ایران و جهان در تولید انرژی خورشیدی
یکی از راهکارهای اصلی برای کاهش تولید گازهای گلخانه ای و جلوگیری از افزایش گرمایش زمین استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، به ویژه انرژی خورشیدی است. کشورهای جهان برای ساخت نیروگاه های خورشیدی سخت مشغول رقابت با یکدیگرند.
در حال حاضر یک درصد از نیاز مردم جهان به برق از طریق انرژی خورشیدی تامین می‌شود. در اتحادیه اروپا 4 درصد از این نیاز توسط انرژی خورشیدی برآورده می‌شود. با برنامه‌ریزی های انجام شده امید می رود که تا پایان سال 2025، سایت های انرژی خورشیدی، 3 برابر بیشتر از میزان فعلی برق‌رسانی کنند و در سال 2030 این میزان به 13 برابر برسد.
در راستای تامین انرژی از منابع تجدیدپذیر، کشور چین به سرعت در حال پیشرفت است. تا پایان سال 2020 نیروگاه های خورشیدی با توان تولید 78 گیگاوات (78 هزار مگاوات) تاسیس شدند. این ظرفیت برابر با ظرفیت 78 نیروگاه اتمی عظیم یا 150 نیروگاه زغال‌سنگ است.
ژاپن تا پایان سال 2020 نیروگاه های خورشیدی با توان 43 گیگاوات، آمریکا با توان 42 گیگاوات و آلمان با توان 41 گیگاوات تاسیس کردند.
در هند نیز تولید برق از انرژی خورشیدی به 10 گیگاوات رسیده است.
در حال حاضر برق تولیدی از نیروگاه های جدید خورشیدی عموما در جهان، ارزان‌تر از برق تولیدی از نیروگاه های جدید گاز، زغال سنگ یا اتمی تمام می‌شود. به همین دلیل نیز چین و هندوستان برنامه‌های خود برای ساخت نیروگاه های جدید زغال سنگ را لغو کرده اند.
حدود دو میلیارد نفر در جهان هنوز بدون برق زندگی می‌کنند. چراغ نفتی تنها وسیله روشنایی و منبع نور برای این دسته است. گران بودن نفت و آسیب های ناشی از دوده به دستگاه تنفسی از معایب عمده چراغ های نفتی به شمار می‌رود. در مقابل سامانه های خورشیدی کوچک با باتری و ال‌ئی‌دی جایگزین های بسیار ارزان‌تر و بهتری برای چراغ های نفتی هستند. در بنگلادش با این روش، برق بیش از چهار میلیون خانه مسکونی تامین شده است.
مالکان خانه های مسکونی یا شرکت ها، به ویژه در اروپا، به رغم اتصال به شبکه برق رسانی ترجیح می‌دهند با نصب سلولهای خورشیدی، برق مورد نیاز خود را تامین کنند؛ تمایلی که در سال های اخیر رو به افزایش بوده است. در آلمان هزینه برق به دست آمده با این روش نصف هزینه‌ای تمام می‌شود که شرکتهای برق‌رسانی از مشترکان طلب می‌کنند. به همین خاطر نیز سلولهای خورشیدی نهایتا سیستمی سودآور هستند.
در حال حاضر ذخیره‌کردن برق خود-تولید همچنان گران تمام می‌شود، اما در عوض قیمت باتری‌های ذخیره‌کننده به سرعت در حال کاهش است. این کاهش قیمت، موجب شده تا باتری ها برای شرکت ها و مالکان خانه های مسکونی به گزینه‌‌ای بسیار جذاب بدل شوند. این تغییر و تحول در فناوری باتری جنبش مثبتی را در زمینه تولید مستقلانه ی برق به وجود آورده است.
در سال 2016 هواپیمای سولار ایمپالس-2 که سوخت آن تنها از طریق انرژی خورشیدی تامین می‌شد، توانست با موفقیت دور دنیا سفر کند. این هواپیمای سبک وزن و بدون سرنشین نمونه‌ای موفق بود که به خوبی ظرفیت‌های فناوری خورشیدی را نشان می دهد.
بنا بر محاسبات علمی، قدرت خورشید حدودا هزار برابر بزرگتر از مصرف انرژی در سراسر جهان است. برای جلوگیری از گرمایش زمین و همچنین پاسخگویی به تقاضای جهانی برای انرژی، فناوری تولید انرژی از خورشید نقشی اساسی ایفا می‌کند.
کشورهای جهان در کنفرانس پاریس توافق کردند تا با اتخاذ اقدامات لازم تلاش کنند تا میانگین حرارت زمین تا سال 2030 از دو درجه سانتیگراد نسبت به شروع انقلاب صنعتی بالاتر نرود.
تمایل روز افزون برای استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر گامی مهم در راستای تحقق اهداف پیش‌بینی شده است. با این حال هنوز راه زیادی برای رسیدن به این هدف در پیش است. کشورهای زیادی همچنان از دانش و فناوری مورد نیاز برای ساخت نیروگاه های خورشیدی بدون بهره هستند.
طبق اطلاعات منتشر شده ی سازمان انرژی های تجدیدپذیر، ایران با داشتن 300 روز آفتابی در بیش از دو-سوم کشور و متوسط تابش 5.4 تا 5.5 کیلووات ساعت بر متر مربع در روز، از جمله کشورهایی به شمار می‌رود که پتانسیل بالایی در زمینه انرژی خورشیدی دارد.
ایران قصد دارد تا سال 2030 میلادی، 7500 مگاوات برق از انرژی خورشیدی تولید کند که این میزان بیش از هفت برابر برق تولیدی از نیروگاه اتمی بوشهر خواهد بود. بدین ترتیب ایران تا سال 2030 حدود 10 درصد از برق تولیدی خود را از انرژی خورشیدی تامین خواهد کرد.
عربستان، رقیب ایران در زمینه تولید انرژی، تصمیم گرفته است با کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی، سهم این کشور در زمینه تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر به ویژه انرژی خورشیدی را به شدت افزایش دهد. مقامات عربستان برای تحقق این هدف، سرمایه‌گذاری 100 میلیارد دلاری در زمینه انرژی خورشیدی و بادی انجام داده‌اند.
عربستان قصد دارد با این سرمایه‌گذاری هنگفت، تا سال 2025 حداقل 10 گیگاوات برق از نیروگاه های خورشیدی و بادی خود تولید کند.
نکته جالب این که کشورهای چین، هند، آمریکا، امارات، مکزیک و مراکش دارای بزرگترین مزارع خورشیدی (Solar Farm) در جهان هستند؛ توان تولید برق هر یک از این مزارع خورشیدی از 550 مگاوات بیشتر بوده و تا 2250 مگاوات نیز در یکی از مزارع هند می رسد.
با توجه به مزایا و معایب انرژی خورشیدی آیا انرژی خورشیدی ارزش سرمایه گذاری را دارد؟
پاسخ این سوال قطعا مثبت است. استفاده از انرژی خورشیدی، به کاهش هزینه‌های انرژی برای افراد و جوامع کمک می‌کند و همچنین به کاهش وابستگی به منابع انرژی تجدیدناپذیر و کاهش زیان‌های اقتصادی ناشی از نوسانات قیمت نفت و گاز می‌انجامد.
با توجه به این مزایا و لزوم حفظ محیط زیست و کاهش گازهای گلخانه‌ای، استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یکی از راهکارهای اساسی در مسیر به سوی یک جامعه پایدار و پاکیزه بسیار حیاتی است.